曾 晶,張 超
(武漢鋼電股份有限公司,湖北武漢 430080)
武漢鋼電股份有限公司(以下簡稱“鋼電公司”)兩臺鍋爐系原武漢鍋爐廠生產(chǎn)WG-670/13.7-5超高壓、中間再熱煤粉鍋爐,采取全鋼梁懸吊結(jié)構(gòu),配備中間儲倉式制粉系統(tǒng),布置4×4 組煤粉(水平濃淡分離低氮)燃燒器,具備摻燒高爐煤氣及焦?fàn)t煤氣能力。
自2019 年年底以來,1#鍋爐頻繁發(fā)生水冷壁泄漏故障,機組運行安全性受到嚴(yán)重影響,多次發(fā)生因爆管導(dǎo)致一類強迫非計劃停運。
鋼電公司兩臺鍋爐爐膛四周由Ф60×6.5mm、節(jié)距S=80 mm 的管子組成膜式壁,材質(zhì)為20 G,爐膛寬11.92 m,深度10.8 m,高度45 m。水冷壁分為上、中、燃燒器區(qū)、下四部分,煤粉燃燒器布置高度為14.7~20.2 m。前后水冷壁下部管子傾斜50°構(gòu)成冷灰斗,后水冷壁上部向爐膛內(nèi)折3 m,形成折焰角。前后及兩側(cè)水冷壁各4 個回路,共形成16 路循環(huán)回路,布置情況見圖1。
圖1 鍋爐水冷壁下聯(lián)箱及循環(huán)回路布置結(jié)構(gòu)圖
2019 年11 月起,1#鍋爐連續(xù)發(fā)生3 次水冷壁爆管情況,爆管后機組補水率急劇升高,補水量最大約增加了30 t/h,爐膛出口水平煙道處煙溫最大偏差達到150 ℃,參數(shù)變化提示爆口偏大,機組被迫進行降壓運行,甚至強迫非停,近3 次爆管情況見表1。
停爐檢查,事故爆管具有如下特點:
(1)爆口偏大,發(fā)生泄漏后,爐水泄漏量大,現(xiàn)場異音明顯,凝汽器補水量急劇升高;
表1 1#鍋爐水冷壁泄漏及處理記錄
(2)爆管高度位置相對一致,皆位于20 m 左右,處于燃燒器區(qū)域,該區(qū)域燃燒較為集中、溫度較高,區(qū)域輻射換熱強度高;
(3)爆管平面位置相對分散,除甲側(cè)墻外,其他三面爐墻皆有事故爐管,其分布位置基本無規(guī)律性。
割管檢查:事故爐管割管口處背火側(cè)管內(nèi)肉眼觀測表面平滑、壁厚正常,向火側(cè)內(nèi)壁呈坑穴狀、含有黑色垢層、局部偏紅色。見圖2、圖3。
圖2 爆口形態(tài)
圖3 管內(nèi)坑穴形態(tài)
解剖測厚:在對事故爐管及旁側(cè)隨機共取10根水冷壁管,編號為A1、A2、B1、B2、D2、E1、E2 的試樣,經(jīng)解剖后有明顯腐蝕坑,編號為C1、C2、D1 的試樣,經(jīng)解剖后有少量腐蝕坑。
選取E1 一處腐蝕坑進行了測厚檢測,經(jīng)檢測E1 管道母材平均厚度為7.13 mm,腐蝕坑中最薄處壁厚為4.37 mm,減薄尺寸為2.76 mm。
每件試樣,在內(nèi)、外壁各隨機選擇1處進行了金相分析,經(jīng)表面金相檢測發(fā)現(xiàn)B1、B2 的試樣有局部組織為4 級完全球化現(xiàn)象(見圖4、圖5)。其他試樣檢測發(fā)現(xiàn)為二級到三級球化。具體為A2、B1、B2、D1 檢測為二級球化,A1、C1、C2、D2、E1、E2 為三級球化。
圖4 B1金相圖
圖5 B2金相圖
每件試樣各取一組力學(xué)試樣進行了力學(xué)試驗,檢測結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。抗拉強度(Rm)≥260 N/mm2(標(biāo)準(zhǔn)為≥245 N/mm2)、屈服強度(Rel)≥430 N/mm2(標(biāo)準(zhǔn)為≥410 N/mm2)、延伸率(A)≥34%(標(biāo)準(zhǔn)為≥25%)。抽取試樣所檢項目符合評定標(biāo)準(zhǔn)要求。
綜上所述,所檢測試樣主要存在內(nèi)壁腐蝕和珠光體組織球化現(xiàn)象。
結(jié)合水冷壁宏觀檢查、金相分析以及力學(xué)性能,總結(jié)出上述缺陷水冷壁管有如下特點:
(1)缺陷水冷壁的內(nèi)表面附有大量水垢,且集中于向火側(cè),背火側(cè)基本光滑;
(2)爐管外部形態(tài)基本正常,無明顯腐蝕特征。坑穴狀腐蝕發(fā)生于向火側(cè)水垢處,背火側(cè)管內(nèi)形態(tài)良好,無明顯缺陷;
(3)爐管力學(xué)性能正常,有明顯結(jié)垢特征的爐管皆伴隨有球化情況,球化等級不一致。說明爐管內(nèi)部結(jié)垢后,20G管材的導(dǎo)熱系數(shù)變差,向火側(cè)管壁溫度高,結(jié)垢嚴(yán)重的爐管金屬球化速度加快。
開展如下調(diào)查工作:
追查2016年1#機組大修時割管檢查結(jié)果,情況見表2:
表2 2016年1#機組大修時水冷壁割管檢查結(jié)果
從表2 可知,1#鍋爐爐管在2016 年割管檢驗時,垢量已經(jīng)超標(biāo),需要進行酸洗除垢,但當(dāng)時因大修工期原因,實際酸洗工作未開展。
隨機抽查2019 年9 月-12 月爐水品質(zhì)化驗結(jié)果情況,見表3:
表3 隨機抽查2019年年底1#鍋爐爐水水質(zhì)情況
由表3可知,爐水水質(zhì)主要指標(biāo)控制基本正常,雖偶有超標(biāo),但能很快調(diào)整至達標(biāo)范圍。
爐管向火面表面出現(xiàn)缺陷的可能原因主要為應(yīng)力斷裂、腐蝕、疲勞、磨損、質(zhì)量控制失誤(含外力影響)等,每一種失效形式起因及特征表現(xiàn)方式不一。應(yīng)力斷裂主因是過熱運行;疲勞失效時伴有氧化皮、裂紋特征;管壁沖擊磨損發(fā)生于外壁,主要外觀特征為外壁減?。粻t管高溫腐蝕與低溫腐蝕發(fā)生于煙氣環(huán)境中,主要失效宏觀特征坑穴狀、麻點或淺溝槽,覆蓋有灰及鐵質(zhì)氧化物質(zhì),發(fā)生部位在爐管外壁。
本案例中,由于缺陷水冷壁基本不存在過熱運行工作環(huán)境、爐管外壁正常、無橫向裂紋等特征,加之綜合檢查分析情況并結(jié)合理化分析結(jié)果,判定此次集中性爆管故障原因為垢下腐蝕(堿腐蝕)。鋼電1#鍋爐于1994 年投運,運行至今已經(jīng)有25 年,垢量日積月累加之爐水電導(dǎo)偶有超標(biāo),根據(jù)表2 中結(jié)果顯示,水冷壁積垢量已經(jīng)超出正常范圍。
當(dāng)受熱面管內(nèi)壁有水垢時,由于垢的傳熱性很差,垢下金屬管壁的溫度升高,滲到垢下面的鍋爐水會發(fā)生急劇蒸濃,爐水的高度濃縮,爐水中的OH-在垢層下方富集,具有很強的侵蝕性,水冷壁內(nèi)壁保護膜受到破壞,鐵和水形成堿性電池,發(fā)生堿性腐蝕,伴隨有氧腐蝕(缺陷爐管內(nèi)部有黑紅色鐵氧化物等生成物)
電化學(xué)腐蝕主要化學(xué)反應(yīng)式為:
陽極Fe -2e →Fe2+
陰極2H++2e →H2
垢層下方的生成的H2與鋼中的滲碳體反應(yīng)后鐵的體積縮小,結(jié)構(gòu)變化使得水冷壁管強度降低,加之垢層導(dǎo)致爐管工作溫度升高,球化速度加快,金屬管薄弱處無法承受管內(nèi)汽水介質(zhì)壓力,導(dǎo)致爆管事故發(fā)生。
根據(jù)解剖測厚結(jié)果,水冷壁管存在大量結(jié)垢和大幅減薄,已基本不具備酸洗條件,由于四面爐墻工作環(huán)境基本相同,缺陷情況也基本相似,加之爆管區(qū)域的分散性,為保證機組安全運行,須對已發(fā)生腐蝕的水冷壁管缺陷段進行全面更換。
為確定更換高度,對1#鍋爐后墻甲往乙第58根、第115根進行擴大區(qū)域割管檢查,發(fā)現(xiàn)自鍋爐標(biāo)高13 m 高度向下、33 m 向上部分,肉眼不可見水冷壁結(jié)垢情況,且內(nèi)壁情況良好。確定鍋爐四面墻共552 根水冷壁管,自標(biāo)高13~33 m 部分進行大面積更換,徹底消除水冷壁腐蝕減薄和管材球化缺陷。
提高化學(xué)監(jiān)督管理力度,化驗站加強對爐水、給水及其他汽水品質(zhì)的在線監(jiān)督工作,嚴(yán)格按照操作標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行化驗步驟,儀表做好保養(yǎng)和定期標(biāo)定,并由生產(chǎn)技術(shù)室每周執(zhí)行至少3 次抽樣復(fù)檢,確保合格的爐水品質(zhì)。此外,增加鍋爐定期排污頻次,由以往每周3 次定期排污,增加為每周5 次,以控制爐水電導(dǎo)穩(wěn)定達標(biāo),減少出現(xiàn)爐水品質(zhì)不合格而被動調(diào)整的情況。
水冷壁設(shè)計使用年限約10 萬h,鋼電兩臺鍋爐水冷壁管實際已超過設(shè)計年限,加之機組啟、停次數(shù)相對頻繁,需進一步強化金屬監(jiān)督力度,嚴(yán)格按照DL438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL/T939-2005《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管道監(jiān)督檢驗技術(shù)導(dǎo)則》中相關(guān)要求開展金屬監(jiān)督工作。
在鍋爐檢修期間,有計劃性對受熱面管道進行全面外觀質(zhì)量檢查,重點檢查腐蝕、鼓包、變形和裂紋情況,并對1#鍋爐未換管部分、2#爐四面爐墻進行重點抽樣檢驗,此項工作力度需加大,視檢驗情況采取措施,可考慮對2#鍋爐水冷壁管進行計劃性大面積更換。